第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件

第2章現代設計技術

ModernDesignTechnology

2.1概述Introduction第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件以社會需求為目標，在一定設計原則的約束下，利用設計方法和手段創造出產品結構的過程。指在設計過程中解決具體設計問題的各種方法和手段。相繼經歷了直覺設計階段—經驗設計階段—半理論半經驗設計（傳統設計）階段。產品設計

設計技術2.1.1先進設計技術的內涵

先進設計技術以滿足應市產品的質量、性能、時間、成本／價格綜合效益最優為目的，以計算機輔助設計技術為主體，以知識為依托，以多種科學方法及技術為手段，研究、改進、創造產品活動過程所用到的技術群體的總稱。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件2.1.2先進設計技術的體系結構

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件包括運動學、靜力學、動力學、材料力學、熱力學、電磁學、工程數學等。指計算機支持的設計技術，包括：計算機輔助X

。優化設計，有限元分析，模擬仿真，虛擬設計，工程數據庫，快速響應設計等?；A技術

主體技術2.1.2先進設計技術的體系結構

支撐技術主要包括：①現代設計理論與方法。包括模塊化設計、價值工程、反求工程、綠色設計、面向對象設計、可靠性設計等。②設計試驗技術。應用技術針對實用目的解決各類具體產品設計領域的技術，如機床、汽車、工程機械等設計的知識和技術。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件靜態的設計原理向動態的延伸，經驗、類比的設計方法向精確的、優化的方法延伸，而且設計范疇也在不斷擴大。

現代的機械產品，如數控機床、加工中心、工業機器人等，正朝著機電一體化，物質、能量、信息一體化，集成化，模塊化方向發展，從而對產品的質量、可靠性、穩定性、穩健性及效益等均提出更為嚴格的要求。

2.1.1先進設計技術的特征

是傳統設計理論與方法的繼承、延伸與擴展

多種設計技術、理論與方法的交叉與綜合設計手段的計算機化

已從計算機輔助計算和繪圖發展到優化設計、并行設計、三維特征建模、面向制造與裝配的設計制造一體化，形成了CAD、CAPP、CAM的集成化、網絡化和可視化。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件采用可靠性設計描述載荷等隨機因素的分布規律，通過有限元法、動態分析等分析工具和建模手段，從而得到比較符合實際工況的真實解，提高了設計的精確化程度。

2.1.1先進設計技術的特征

設計結果的精確化設計過程的并行化

、智能化并行設計的核心是在產品設計階段就考慮產品生命周期中的所有因素，強調對產品設計及其相關過程進行并行的、集成的一體化設計，使產品開發一次成功，縮短產品開發周期。智能CAD系統是模擬人腦對知識處理，并拓展了人在設計過程中的智能活動。原來由人完成的設計過程，已轉變為由人和計算機友好結合共同完成的智能設計活動。

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件人們對產品質量除要求滿足一定功能外，對可靠性、合理的壽命、便于使用和維護等也提出了更高的要求，并要符合有關標準、法律和生態環境要求。這就需要對產品進行動態的、多變量的、全方位的可信性設計。

2.1.1先進設計技術的特征

面向產品生命周期全過程的可信性設計多種設計試驗技術的綜合運用

根據不同產品的特點和要求，進行物理模型試驗、動態試驗、可靠性試驗、產品環保性能試驗等；借助功能強大的計算機，在建立數學模型的基礎上，對產品進行數字仿真試驗和虛擬現實試驗，預測產品的性能；亦可運用快速原型技術，直接利用CAD數據，將材料快速成形為三維實體模型，該模型可直接用于設計外觀評審或裝配試驗，第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件

第2章現代設計技術

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2.2

CAD技術

CADTechnology第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件CAD的功能與含義

是以計算機為工具，處理產品設計過程中的圖形和數據信息，過程的輔助完成產品設計技術。產品的造型、裝配、工程圖繪制；產品渲染、動態顯示；工程分析，如有限元分析、優化設計、可靠性設計、運動仿真等。內容包括

與大CAD技術的核心是幾何模型的建立。CAD系統為用戶提供了顏色、網格、圖層等輔助功能，提供了縮放、平移、旋轉等各種圖形變換工具，提供了各種渲染、動畫等可視化操作。2.2.1計算機輔助設計的概念第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件CAD技術的特征CAD技術強調產品設計過程中計算機的支持和參與

強調計算機的輔助作用

CAD系統不可能也沒有必要涉及產品設計的所有環節CAD技術的優越性大大提高設計質量

提高設計生產率，縮短產品開發周期

較大幅度地降低生產成本

將技術人員從繁重的計算、繪圖、修改工作中解放出來

2.2.1計算機輔助設計的概念第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件產品的造型建模技術

2.2.2CAD的關鍵技術CAD的造型建模過程也就是對被設計對象進行描述，并用合適的數據結構存儲在計算機內．以建立計算機內部模型的過程。被設計對象的造型建模技術的發展，經歷了線框模型、表面(曲面)模型、實體建模(SolidModelling)、特征造型(FeatureModelling)、特征參數模型、產品數據模型的演變過程。特征造型具有：①能更好地表達統一完整的產品信息；②能更好地體現設計意圖，使產品模型便于理解和組織生產；③有助于加強產品設計、分析、加工制造、檢驗等各個部門之間的聯系。

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件CAD技術的集成體現在以下幾個方面CAD與CAE集成、CAD與CAPP／CAM的集成、CAD與PDM的集成、CAD與ERP等軟件模塊集成，為企業提供了產品生產制造一體化解決方案，推動企業信息化進程。將CAD技術的算法、功能模塊以至整個系統，以專用芯片的形式加以固化，一方面可提高CAD系統的運行效率，另一方面可供其他系統直接調用。

CAD在網絡計算環境下實現異地、異構系統的企業間集成，如全球化設計、虛擬設計、虛擬制造以及虛擬企業就是該集成層次的具體體現。

2.2.2CAD的關鍵技術CAD與其它CAX系統的集成技術第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件計算機輔助產品的概念設計

2.2.3CAD的研究熱點

概念設計涉及產品的基本功能、動作原理和結構要素，需要考慮產品的價格、性能、可靠性、安全性等目標；概念設計所涉及的設計需求和各種約束往往是不精確的或未知的。概念設計的上述特征和要求，給CAD技術在該領域的應用帶來很大難度和挑戰。為使CAD技術有效地支持概念設計，需要解決建模和推理兩大技術難題。

建模技術，是需要對產品的功能、動作和結構等要素及其相互間的關系進行完整、清晰描述

推理就是根據用戶的需求和給定的條件進行產品的功能設計，生成和選擇合適的產品設計方案。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件計算機支持的協同設計

2.2.3CAD的研究熱點

計算機支持的協同設計，便于設計成員間的思想交流，能及時發現各設計組成部分之間的矛盾和沖突，并能及時地加以協調和解決。協同設計有利于避免或減少設計工作的反復，提高產品設計的效率和質量。計算機支持的產品協同設計必須解決以下幾個難題：群體成員間多媒體信息傳輸實用的協同設計系統必須能在異構環境中運行，包括數據傳輸、工具集成，還有跨平臺的交互界面等，這需要通過標準化工作來解決。

人—人交互目前自動發現矛盾和沖突，并進行自動協調和解決的技術還不成熟，因此人一人交互的手段成為必要第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件海量信息的存儲、管理和檢索技術如何快速、有效地對海量信息進行存儲、管理和檢索，成為人們關注的焦點。傳統的關系型數據庫管理系統已難以適應日益增長的數據管理的要求。智能CAD技術產品的設計是人類的一種創造性的活動，設計過程智能化是CAD發展的必然選擇。雖然，當前的CAD系統也體現了一些智能的特點，這些智能與人們所期望值相比還有很大的距離。智能CAD就是將人工智能技術與CAD技術融為一體而建立的系統，而人類的思維模型的建立和表達還有待繼續予以研究和完善。2.2.3CAD的研究熱點

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件CAD技術與虛擬現實技術的集成

虛擬現實(VirtualReality，VR)技術是利用計算機生成的一種模擬現實環境的技術，通過數據頭盔(HeadMountedDisplay)、數據手套(DataGlove)、數據衣(DataSuit)等多種傳感設備構造虛擬環境，向設計者提供諸如視覺、聽覺、觸覺等各種直觀而又自然實時的感知。CAD技術與VR技術的有機結合，能夠快速地顯示設計內容、顯示設計對象性能特征，以及設計對象與周圍環境的關系，設計者可與虛擬設計系統進行自然的交互，靈括方便地修改設計，大大提高設計效果與質量。目前，VR技術所需的軟硬件價格還相當昂貴。技術開發的復雜性和難度還較大，VR技術與CAD技術的集成還有待進一步研究和完善。2.2.3CAD的研究熱點

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件第2章現代設計技術

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2.3計算機輔助工藝規程設計ComputerAidedProcessPlanning

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件◆CAPP的含義：計算機輔助工藝過程設計是通過向計算機輸入被加工零件的幾何信息和加工工藝信息等，由計算機自動進行編碼、編程直至最后輸出經過優化的零件工藝規程?？梢源婀に噹煹姆敝貏趧犹岣吖に囈幊痰脑O計質量

縮短了生產準備周期

減少生產費用，提高經濟效益。

CAPP是實現CAD/CAM集成的紐帶?！鬋APP的作用：基本概念2.3.1概述第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件2.3.1概述CAPP的內容與步驟

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件2.3.1概述CAPP的功能模塊

零件信息描述工藝過程擬訂工藝參數計算工藝方案分析工藝文件生成毛坯選擇第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件◆零件編碼描述法：利用成組技術中的零件分類編碼對零件的一些主要設計制造特征進行描述。

輸入操作簡單，但輸入的信息量少，適用于只需要確定工藝路線的場合

缺點是對零件信息的描述較粗糙，難以包括零件的細節，而且也不完整，只能達到將零件分類的目的。對于要求給出詳細工藝規程和采用創成原理實現的CAPP系統，很難依據這樣的零件設計信息做出工藝決策?！籼攸c：基于工程圖紙的交互輸入方法

2.3.2CAPP系統零件信息描述方法與輸入

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件圖8-1第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件◆零件特征描述法：是將組成零件的各特征逐個地并按一定順序輸入到計算機中去，在計算機內構成零件的數學表達。一般采用人機交互的形式把零件表面的數據輸入到計算機內。

輸入操作較繁瑣、費時，但可以較完善、準確地輸入零件的圖形信息?！籼攸c：基于工程圖紙的交互輸入方法

2.3.2CAPP系統零件信息描述方法與輸入

◆上述兩種方法，都是作為獨立開發的CAPP系統中的一個交互式輸入模塊而存在的，與其他系統之間沒有信息交換關系，尤其是它們均不能提供自動獲取CAD系統已有零件原始信息的途徑。不僅造成重復工作，也使基于這些輸入方法的CAPP系統無法實現與CAD系統的集成。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件◆特征提取與模式識別：當CAD系統采用實體造型方法，如CSG（結構化實體模型）和B-rep（邊界表示法）時，為從CAD幾何模型中分離出CAPP需要的特征信息，可以在CSG和B-rep模型基礎上進行特征識別。

缺點是必須要求三維CAD軟件開放其內部數據結構，以便由所給出的B-rep數據創建AAG圖，從而得到特征信息。

◆特點：直接由CAD模型獲取產品零件信息2.3.2CAPP系統零件信息描述方法與輸入

◆這種方法較適于識別單一特征。對于組合特征、特征交差以及復雜零件上的不規則特征等則很難分離出來，在實用上受到一定限制。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件◆基于數據標準或自定義數據格式的特征表達

：隨著數據標準如初始圖形交換標準IGES（InitialGraphicsExchangeSpecification）等的出現，有些CAPP系統利用CAD軟件生成的IGES文件格式實現產品信息的傳遞。如日本東京大學研制的TOM系統，清華大學開發的THCAPP系統等。直接由CAD模型獲取產品零件信息2.3.2CAPP系統零件信息描述方法與輸入

◆基于STEP的特征造型系統

。產品模型數據交換標準STEP（StandardfortheExchangeofProductmodeldata）是正在建立和完善中的產品數據模型標準，其宗旨是支持產品整個生命周期內的全部信息的完整表示。STEP標準獨立于各種計算機輔助系統（如CAD、CAPP、CAM等），它為各系統提供了產品數據及其共享、交換的一種中性表達。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件2.3.3派生型CAPP系統

基本原理

大多數派生型CAPP系統均采用成組技術（GT）的零件分類編碼系統。即利用成組技術的原理，將零件按其制造特征分為若干零件組，為每一零件組設計一個標準工藝規程，將標準工藝規程存入計算機數據庫中。在利用計算機設計一個新零件的工藝規程時，先對要編工藝規程的零件進行分類編碼，當把零件編碼輸入計算機后，便將檢索出相應零件組的標準工藝規程。當待編工藝規程零件的技術要求與標準工藝規程范圍不同時，要對標準工藝規程進行編輯修改。因此，派生型CAPP系統也叫檢索式或變異式CAPP系統。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件

圖8-6第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件2.3.3派生型CAPP系統

零件分類編碼系統

基本概念——零件分類編碼系統是用字符（數字、字母或符號）對零件有關特征進行描述和識別的一套特定的規則和依據。

分類編碼系統簡介★Opitz分類編碼系統特點：1）結構簡單，使用方便2）對零件形狀（特別是回轉類零件）描述較完善3）適用范圍較廣（設計、工藝、管理…）4）工藝信息反映不夠充分5）對非回轉類零件描述較粗糙★JLBM-1分類編碼系統（圖2-1）第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件2.3.3派生型CAPP系統

名稱類別粗分類0123456789回轉類零件非回轉類零件輪盤類環套類銷桿軸齒輪類異形件專用件桿條類板塊類座架類箱體類名稱類別細分類0123456789盤蓋防護蓋法蘭盤帶輪手輪離合器分度盤滾輪活塞其它回轉類零件的形狀及加工碼外部形狀加工基本形狀功能要素內部形狀加工基本形狀功能要素平面曲面加工外平面內平面輔助孔成形刻線輔助碼

材料

毛坯原始形狀

熱處理主要尺寸

精度

直徑或寬度

長度非回轉類零件形狀及加工碼圖2-1JLBM-1分類編碼系統第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件開發一個變異式CAPP系統，一般要做以下幾方面工作：根據產品的特點，選擇合適的編碼系統?？梢赃x用標準編碼系統，也可以根據零件的特點自己設計編碼。制訂計算機輔助編碼系統或零件信息輸入方式，以助于對已有零件的整理和設計零件的輸入按編碼系統對零件分類歸族，按族整理出每族主樣件的

標準工藝路線和相應的工序內容，并設計存儲和檢索方法建立必要的工藝數據庫或數據文件，以存儲工藝數據和規范。進行系統總體設計，實現對標準工藝的存儲、檢索、編輯和結果輸出。

2.3.3派生型CAPP系統

系統的開發第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件用編碼及零件輸入模塊，完成對所設計零件的描述和輸入。檢索及判斷新零件是否屬于某零件族，如屬于則調出，否則返回。對標準工藝進行刪改，形成所設計零件的工藝規范。對設計結果存儲和輸出。

變異式CAPP系統的工作過程2.3.3派生型CAPP系統

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件2.3.4創成型CAPP系統

基本原理

新零件的工藝規程不是依靠檢索方法生成，而是直接向系統輸入零件的信息，系統依靠存儲的知識、規則、邏輯推理和決策算法，在無人工干預的情況下自動產生一個新的工藝規程。故稱之為創成式CAPP系統。創成型CAPP系統的輸入信息應是全面且準確的零件設計信息，輸出信息是零件的工藝規程。創成型CAPP系統需要在數據庫和工藝知識庫的支持下，經過建立在系統內部的一系列邏輯決策模型及計算程序進行工藝過程決策。系統數據庫中存儲的主要是有關各種加工方法的加工能力、各種機床的適用范圍、切削用量等基本工藝知識數據。工藝知識庫中存放的是設計工藝過程中要遵循的工藝原則和知識。工藝過程決策后的輸出結果可以是選擇好的加工方法，也可以是零件的加工工藝路線，包括詳細的工序設計內容，還可包括工序圖。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件2.3.4創成型CAPP系統

在創成型CAPP系統中，系統的決策邏輯是軟件的核心，它控制著程序的走向。就決策知識的應用形式來分，創成型CAPP系統有常規程序實現和采用人工智能技術實現兩種類型。前者按工藝決策知識利用決策表、決策樹或公理模型等技術來實現；后者為工藝設計專家系統，它利用人工智能技術，綜合工藝設計專家的知識和經驗，進行自動推理和決策。理論上，創成型CAPP系統是一個完備的、高級的系統，它擁有工藝設計所需要的全部信息，在其軟件系統中包含著全部決策邏輯，因此使用極為方便。但是，由于工藝過程的設計因素很多，開發完全自動生成工藝規程的創成型系統還存在著許多技術上的困難。目前，許多CAPP系統的設計都采用以派生法為主、創成法為輔的綜合法，它具有兩種類型系統的優點。我國自行開發的CAPP系統大多為這種類型。

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2.4模塊化設計ModularizationDesign第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件2.4.1模塊化設計的基本概念和方法

模塊：一組具有同一功能和接合要素（指聯接部位的形狀、尺寸、聯接件間的配合或嚙合等），但性能、規格或結構不同卻能互換的單元.由模塊組成的產品稱為模塊化產品。模塊化產品又有兩種類型，即純模塊化產品和混合模塊化產品。純模塊化產品完全由模塊組成，混合模塊化產品則以模塊組成為主，同時含有非模塊部分。模塊化設計：在對產品進行市場預測、功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列通用的功能模塊；根據用戶的要求，對這些模塊進行選擇和組合，就可以構成不同功能、或功能相同但性能不同、規格不同的產品。這種設計方法稱為模塊化設計。模塊、模塊化產品與模塊化設計第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件2.4.2機械模塊化設計的分類

橫系列模塊化設計不改變產品主參數，利用模塊發展變形產品。這種方式是易實現，應用最廣。常是在基型品種上更換或添加模塊，形成新的變形品種。例如，更換端面銑床的銑頭，可以加裝立銑頭、臥銑頭、轉塔銑頭等，形成立式銑床臥式銑床或轉塔銑床等。在產品的橫系列模塊化設計過程中，關鍵之處就是要在結構上采取必要的措施，如留出足夠位置、設計合理接口、預先加工出連接的定位面、定位孔等，以便于在進行產品變型時可順利增加和更換各種模塊部件。

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件縱系列模塊化設計縱系列模塊化設計指在同一類型中對不同規格的基型產品進行變型產品的設計。它的特點是要改變基型產品主參數。而主參數不同的產品，其動力參數往往也是不同的，這就導致產品的結構型式及尺寸等發生變化。如果產品的動力參數發生變化，仍試圖以同一種尺寸規格的模塊去滿足不同主參數產品的要求，則勢必導致模塊的強度或剛度產生欠缺或冗余，因而縱系列模塊化設計比橫系列模塊化設計的難度大得多。因而，在與動力參數有關的模塊設計時，往往合理劃分區段，只在同一區段內模塊通用；而對于與動力或尺寸無關的模塊，則可在更大范圍內通用。2.4.2機械模塊化設計的分類

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件跨系列模塊化設計跨系列模塊化設計的方法是指針對總體結構相差不大的產品所進行的變型設計。它的特點是在基本相同的基礎件結構上選用不同模塊而構成跨系列產品；或者是在基礎件結構不同的跨系列產品上，對具有同一功能的單元，選用相同的模塊。例如，龍門銑床、龍門刨床和龍門磨床．它們的立柱、橫粱，床身的結構形式相差不大，如果能夠合理選擇上述基礎件的形狀和尺寸，并兼顧到上進各類機床的剛度要求，那么就可在同一基礎件上更換各種銑頭、磨頭、刨頭，從而形成跨系列機床產品。2.4.2機械模塊化設計的分類

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件全系列模塊化設計全系列模塊化設計的方法是指縱系列模塊化設計加橫系列模塊化設計。全系列模塊化設計與跨系列模塊化設計是有很大區別的。跨系列模塊化設計只是橫系列兼顧部分縱系列或是縱系列兼顧部分橫系列的模塊化設計。而全系列模塊化設計指的是某類產品的全部橫、縱系列范圍內的模塊化設計?？梢?，只有當跨系列模塊化設計覆蓋了整個該類產品時．才稱為全系列模塊化設計。從這個意義上來講，跨系列模塊化設計是全系列模塊化設計的特例。所以全系列模塊化設計的復雜程度和難度都很大．所需的模塊種類也將更多。2.4.2機械模塊化設計的分類

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件NYYN用戶需求分析系列型譜確定基型設計功能分析，建立功能模塊優化主參數，建立生產模塊，模塊接口設計和產品技術設計基型產品試制與評估變型產品設計滿意？功能分析，建立功能模塊和生產模塊變型產品試制與評估滿意？完成系列產品設計2.4.3模塊化設計過程第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件用戶需求分析這是模塊化設計成功的前提。必須準確把握同類產品的市場需求，以及同類產品中基型和各種變型需求的比例，同時進行可行性分析。對于那些需求量很小，而研制費用較高的產品，不宜采用模塊化設計。2.4.3模塊化設計過程確定產品系列型譜合理確定產品的主參數范圍和產品系列型譜（即產品種類和規格）是模塊化設計的關鍵一步。種類和規格過多，雖對市場應變能力強，有利于占領市場，但設計難度大，工作量大。反之，則對市場應變能力減弱，但設計容易，易于提高產品性能和針對性。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件確定參數范圍及主參數產品的參數（如尺寸參數、運動參數和動力參數等）須合理確定，過高過寬會造成浪費，過低過窄不能滿足要求。另外，參數數值大小和數值在參數范圍內的分布也很重要，最大、最小值應依使用要求而定。主參數是表示產品主要性能、規格大小的參數。

2.4.3模塊化設計過程模塊劃分與設計模塊劃分的合理性直接影響到模塊化產品的性能、外觀、模塊的通用化程度和產品成本。在設計模塊時，應盡量采用標準化結構，保證模塊便于制造、組裝、維修和更換，還需考慮各主要模塊壽命相當。對設計好的模塊應按其功能、類型、規格、層次等進行編碼，并以適當的方式存入模塊庫內以備調用。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件模塊標準化它是指模塊結構標準化，尤其是模塊接口標準化。模塊化設計所依賴的是模塊的組合，即聯接或嚙合，又稱為接口。顯然，為了保證不同功能模塊的組合和相同功能模塊的互換，模塊應具有可組合性和可互換性兩個特征，而這兩個特征主要體現在接口上，必須提高其標準化、通用化、規格化的程度。例如，具有相同功能、不同性能的單元一定要具有相同的安裝基面和相同的安裝尺寸，才能保證模塊的有效組合。在計算機行業中，由于采用了標準的總線結構，來自不同國家和地區廠家的模塊均能組成計算機系統并協調工作，使這些廠家可以集中精力，大量生產某些特定的模塊，并不斷進行精心改進和研究，促使計算機技術達到空前的發展。相比之下，機械行業針對模塊化設計所做的標準化工作就遜色一些。機械產品中模塊化設計僅應用于為數不多的機床行業。2.4.4模塊化設計的關鍵技術

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件模塊的劃分與組合

2.4.4模塊化設計的關鍵技術

◆模塊的劃分應遵循的原則：盡量減少產品包含的模塊總數，并最大限度地簡化模塊自身的結構，以避免模塊組合時產生混亂；以有限的模塊數獲得盡可能多的實用組合方案，以滿足用戶的多方面需求；劃分的模塊應具有功能獨立性和結構完整性；充分注意模塊間的結合要素，以便于模塊的組合和分離；模塊劃分應有利于保證產品精度、剛度和其他性能指標；模塊的劃分要充分考慮經濟因素。◆模塊的組合包括模塊組合的形式和可行的、實用的、經濟的組合產品方案，用以指導模塊化產品設計。

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件模塊的連接方式與接口設計按某一模塊連接其它模塊的數量，模塊的連接方式可分為單向連接、雙向連接和多向連接三種類型。按模塊的相關性，模塊的連接方式可分為剛性連接和柔性連接兩種。若連接的兩模塊幾何相關(即有直接的裝配關系)，稱兩模塊的連接為剛性連接。剛性連接又有固定連接和活動連接之分：固定連接指連接后兩模塊之間沒有相對運動；而活動連接的兩模塊之間可以相對運動(如直線運動、旋轉運動等)。若連接的兩模塊沒有直接的裝配關系，稱兩模塊的連接為柔性連接。例如與機床分離的液壓站，它雖然通過油管、電纜等與主機相聯系，但非幾何相關，故屬于柔性連接。模塊接口設計直接影響模塊化產品的性能(精度、剛度、效率、經濟性等)和模塊組合的方便性與快捷性，必須給予充分注意。

2.4.4模塊化設計的關鍵技術

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件典型案例——數控成型磨齒機的計算機輔助模塊化設計第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件典型案例——數控成型磨齒機的計算機輔助模塊化設計第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件典型案例——數控成型磨齒機的計算機輔助模塊化設計第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件典型案例——數控成型磨齒機的計算機輔助模塊化設計第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件第2章現代設計技術

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2.5創新設計InventionDesign第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件定義創新設計通常是指不同于以往的設計，可能是一種全新的設計，也可能是對原有設計的改進。創新設計的兩個基本特征是設計的非常規性(包括新穎性和非連續性)和設計的成功實現。2.5.1創新設計的類型特點創新設計與一般意義上的發明、創造有所不同，主要區別是創新設計更強調經濟層面上的特征和創新本身的商業價值。因此，創新設計被認為是一種技術經濟活動，是以技術為手段實現經濟目標的活動。

獨創性追求與前任、眾人不同的方案，在求異和突破中實現創新實用性集優性第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件突破性創新又稱原理性創新，是指在技術上有重大突破的創新。例如，相對于汽油機汽車而言，電動汽車就是一種突破性的創新，因為它采用了完全不同形式的動力源。再如，數控機床對于普通機床而言，也是一種突破性的創新。盡管兩者的基本切削運動相同，但運動的控制方法完全不同。在過程設計中，零件成形方法的變革(例如用精密鍛造取代機械加工，用快速原型制造代替傳統的去除加工)，加工工藝的重大改進(例如采用成組工藝)等，也屬于突破性的創新。通常，突破性創新所創造的經濟效益是巨大的，但這種效益常常具有隱式特點，即可能需要經過較長時間才能顯現。突破性創新而產生的技術進步往往是帶有革命性的。2.5.1創新設計的類型創新設計類型第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件漸進式創新又稱局部創新，實質上是一種技術上的改進。例如在產品設計中，改變產品的造型、色彩、尺度、參數或局部結構等，使產品的性能和外觀得到改進，更加適應市場的需要。在過程設計中，通過改變加工設備或工藝參數，使產品制造周期縮短，質量提高，成本降低。漸進式創新總會伴隨著一定的經濟效益，且這種效益常常是顯式的和在短期由可以顯現的。漸進式創新也是促進技術進步的巨大動力，因為突破性創新在其發展和擴散的過程中一定會伴隨著大量的、漸進式的改善才能走向成熟。2.5.1創新設計的類型第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件形象與抽象思維

形象思維形象思維是理性認識，是工程技術創新活動中的一種基本思維方式。運用形象思維，可以激發人們的聯想、類比和創新能力。例如行星軋壓法的創新，就是由形象思維激發聯想而獲得成功的。以往將金屬軋制成板材，是將金屬原料送到兩個軋輥之間，靠兩個軋輥的轉動和原料板的推進而完成的。這種方法對于延展性能良好的鋼材適用，但較脆的金屬材料在軋制中會出現裂紋。為了解決這一技術難題，日本某鋼廠的一位工程師借鑒他妻子在面板上搟蕎麥面的姿勢和方法，研究出了軋制鋼板的新方法-行星軋壓法。2.5.2創造性思維模式

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件形象與抽象思維

抽象思維抽象思維是以抽象的概念和推論為形式的思維方式。早在17世紀初，伽利略就運用抽象思維先于牛頓發現了物體運動的慣性規律。為了研究物體下落的運動規律，伽利略進行了有名的斜面小球實驗。由此，伽利略發現了物體運動的慣性定律。2.5.2創造性思維模式

分析與綜合思維分析是對問題的明確描述和對問題本質的認識過程。對于復雜問題，要將其分解為邏輯關系與層次清晰的各級子問題。綜合是分析的反向過程，在求得各子問題的解之后，通過連接構成整體，實現最終功能和目標。其中連接是關鍵，通?？梢越⒍喾N連接方式的解域，再通過評價確定最優解。分解與綜合過程常常就是一個創新過程。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件收斂與發散思維

收斂思維首先確定一個理想目標，然后尋求通向目標的多個途徑，最后找出一條實現目標的最佳可行解。這實際是在設計中經常使用的方法，即根據設計要求，提出多種可行方案，并從中擇優。發散思維是在已經掌握一個(或多個)原始解的情況下，去設法尋求更多和更好的解決方案。這種新的更好的解決方案的產生就是一種創新。例如電燈開關可以用多種形式，如機械式、電動式、電磁式、光敏式等，但也可以采用聲控或紅外控制式。2.5.2創造性思維模式

離散與組合式思維很多事物將其分解可能意味著創新。如聽筒與主機分離，產生了子母機：磨床主軸與床身分離，產生了手動磨頭。很多事物，彼此組合會構成創新。如電視與組合在一起，出現了電視；收割機、脫粒機、打包機組合在一起，產生了聯合收割機：電解加工與磨削加工組合在一起，形成了電解磨削。在制造領域，產品的模塊化設計是運用離散(分解)與組合式思維的典型范例。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件對應與聯想式思維

人類的許多發明創造都是對應與聯想式思維的產物。例如，看到鳥兒在空中飛翔，聯想到人也可以在空中飛行，經過不懈努力最終制造出了飛機。再如，由人的手臂動作，聯想到機械手和機器人，并最終產生了關節式機器人。許多創新設計都是出于聯想的結果。聯想通常是在可類比的對象之間產生。例如，將船只與車輛聯系在一起，制造出了兩棲登陸艇。2.5.2創造性思維模式

換元與移植式思維換元也常常表現為“替代”，而在很多情況下，替代本身就是創新。例如，用電阻絲替代炭火，使炭火鍋變成了電火鍋：用通用計算機或專用計算機替代傳統的硬件數控電路，使傳統數控系統發展成為計算機數控系統。移植是把某一領域的成熟理論和方法應用于另一領域。將力學方法應用于生物學，開創了生物力學學科。將信息技術和其它高新技術引入制造過程，便出現了先進制造技術。第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件正向，側向，逆向和迂回思維正向思維是工程設計中常用的思維方式，即從設計起點出發，一步一步向前推進，直至達到雖終目標。側向和逆向思維都是對現行解進行分析，對其提出疑問，想一想“為什么”，“能否不是這樣”。力求突破“思維定勢”的束縛，以產生新的構思。側向思維側重改變思考問題的角度，離開習慣思維模式和傳統思考方向。英國工程師查爾斯·德萊帕為泰晤士河設計的扇形防洪閘是側向思維的一個例子。逆向思維是從現有事物或習慣做法的對立面出發，按其相反的方向擊思索和研究，以獲取新的構想。迂回思維是用側面代替正面、用間接代替直接、用漸進代替一步到位等?？焖僭椭圃旒夹g，就是用平面生成立體的迂回思維的產物。

2.5.2創造性思維模式

第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件第2章現代設計技術

ModernDesignTechnology

2.6逆向工程ReverseEngineering第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件逆向工程的產生與發展

二戰后，日本為了恢復和振興本國經濟，制定了“吸收性戰略”的基本國策，這種觀點給日本國民經濟注入了新的活力，推動了日本經濟的高速發展，到20世紀70、80年代成為世界上僅次于美國的第二經濟強國。日本所采用的措施正是今天得到普遍重視的逆向工程技術(RE)。

逆向工程作為掌握、改進和發展技術的一種手段，可使產品研制周期縮短40％以上，從而極大地提高了生產率。20世紀90年代后，數字化浪潮推動社會飛速發展，世界范圍內工業領域的競爭日趨激烈，企業必須不斷地開發新產品、縮短產品開發周期、降低成本、提高產品質量以增強企業在市場的競爭力，從而大大推動了逆向工程技術的研究與發展。2.6.1概述第2章現代工程設計技術_先進制造技術課件逆向工程的含義

正向工程。從市場需求出發，歷經產品的概念設計、結構設計、加工制造、裝配檢驗等產品開發過程。逆向工程。以設計方法學為指導，以現代設計理論、方法、技術為基礎，運用各種專業人員的工程設計經驗、知識和創新思維，對已有產品進行解剖、深化和再創造，使之成為新產品2.6.1概述二維圖紙CAD數據